OpenSky をやめて自分のアンテナで受信する ── RTL-SDR の ADS-B を自作地球儀 ttymap に流す

自分で受信したくなった

前にターミナルの中で地球儀を回す ttymap を作った話を書いた。braille 文字の地球儀に、上空を飛ぶ飛行機やら地震やら ISS やらを重ねて眺めるやつだ。その「飛行機」を出す aircraft プラグインは、OpenSky Network の公開 ADS-B フィードを叩いていた。便利なんだけど、要するに誰かのサーバが受信して整形した結果を眺めているだけだ。

ローカル受信した ADS-B 機体を表示した ttymap。braille の地球儀の上に、便名付きの矢印が中部地方の上空に舞っている

頭上を飛んでいる飛行機が出す電波は、今まさに自分の部屋にも降ってきている。だったら自分のアンテナで受信して、自分の地球儀に出したい。受信専用の RTL-SDR なら技適も要らない。ドングルとダイポールアンテナを買った。

この記事は、そのドングルを挿してから、自作地球儀に「自分で受信した飛行機」が舞うまでの記録。

挿したら TV チューナーだった

USB に挿して lsusb を見ると、こう出る。

Bus 003 Device 007: ID 0bda:2838 Realtek Semiconductor Corp. RTL2838 DVB-T

DVB-T。デジタル地上波テレビチューナーだ。それもそのはず、RTL-SDR の中身の RTL2832U チップは、元々「安い USB 地デジチューナー」として大量に売られていた製品で、後から「復調前の生の I/Q サンプルを吐かせれば任意の電波を受信できる＝ SDR になる」と発見されて第二の人生を歩んでいる。

なので Linux カーネルは、挿した瞬間にこいつをTV チューナーとして掴む。dvb_usb_rtl28xxu というドライバだ。これが問題で、

            ┌─ dvb_usb_rtl28xxu (カーネル/TV用)   ← 掴むと SDR で開けない
RTL2832U ───┤
            └─ librtlsdr (ユーザー空間/SDR用)      ← 受信に使いたいのはこっち

1 つのデバイスを 2 つのドライバが同時には掴めない。SDR として使うには、TV ドライバに掴ませないよう blacklist する。Arch の rtl-sdr パッケージは、ありがたいことに /usr/lib/modprobe.d/rtlsdr.conf でこれを最初からやってくれる。

blacklist dvb_usb_rtl28xxu
blacklist e4000
blacklist rtl2832

rtl_test でドングルとチューナーの型式を確認する。

$ rtl_test -t
Found 1 device(s):
  0:  Realtek, RTL2838UHIDIR, SN: 00000001
Found Rafael Micro R820T tuner

R820T。1090MHz まで届くので ADS-B(1090MHz) はちゃんと拾える。ハードは生きている。

生フレームは拾える。でも座標じゃない

ADS-B を一番手軽に拾うには、rtl-sdr パッケージ同梱の rtl_adsb を叩くだけでいい。

$ rtl_adsb
*8d8622ae58c906dd3078d6822f73;
*8d84b7b699088411219a359bb254;
*8d9632ae58c906dd...;
...

*8d で始まる行が DF17（ADS-B Extended Squitter）、位置や速度を運ぶ本命メッセージだ。20 秒で 30 本以上、複数機ぶん降ってくる。ダイポール → R820T → librtlsdr の受信チェーンは通った。

……が、これは座標ではない。生の Mode-S フレームだ。ここから緯度経度を出すには CPR（Compact Position Reporting）デコードという一段が要る。

なぜ生の lat/lon がそのまま入っていないのか。ADS-B は 1 メッセージ 112 ビットしかなく、緯度経度をフル精度で毎回詰めると帯域が足りない。そこで CPR は、緯度経度を「even フレーム」と「odd フレーム」の 2 種類に分割してエンコードする。even と odd のペアが揃えば地球上のどこでも一意に復元できる（グローバルデコード）。あるいは受信機のだいたいの位置がわかっていれば、1 フレームだけでローカルに復元できる。後者の方が実装が楽だ。受信機（自宅）の座標はわかっているので、こっちを使う。

CPR を手で書くのはしんどいので、pure Python の pyModeS に投げる。v3 はメッセージ 1 本を渡すと全フィールドを dict で返す API になっていて、reference に受信機の概略座標を渡すとローカルデコードしてくれる。

import pyModeS as pms
r = pms.decode(msg, reference=(MY_LAT, MY_LON))
# r["latitude"], r["longitude"], r["altitude"], r["callsign"], r["crc_valid"] ...

rtl_adsb の出力をこれに流すだけの小さなスクリプトを書いて回すと、ターミナルに座標が流れ始める。

21:29:39  89912B  EVA195    lat=  34.8097  lon= 136.9325  alt=37975ft
21:29:39  851826  JAL229    lat=  34.5754  lon= 136.7913  alt=27600ft
21:29:50  861F00  JAL616    lat=  34.3943  lon= 136.7036  alt=41000ft

便名・ICAO アドレス・緯度経度・高度。同じ機体の座標が連続で滑らかに動く（JAL616 が南下、JAL229 が降下中）ので、デコードは正しい。自分のアンテナで受信した実物の飛行機が、座標になった。

ttymap に流し込む ── 間に JSON サーバを噛ませる

さて、これを自作地球儀 ttymap に乗せたい。ttymap のプラグインがデータを取り込む口は ttymap.http:fetch(url) ── つまり HTTP で JSON を取るのが基本だ。前編の aircraft プラグインも、OpenSky の REST API を http:fetch して map:point(lon, lat, …) で点を打っていた。

ところがこっちの rtl_adsb | pyModeS はテキストを標準出力に吐くだけで、HTTP の口がない。形が合わない。

そこで間に小さな橋を渡す。rtl_adsb を子プロセスで回し、pyModeS でデコードした機体状態を ICAO ごとに保持して、127.0.0.1:8888/aircraft.json で配るだけの HTTP サーバを Python の標準ライブラリで書いた。

rtl_adsb ──▶ serve.py (pyModeS でデコード + 機体状態を保持) ──HTTP /aircraft.json──▶ ttymap

ポイントは、デコーダを「1 フレーム → 1 行 print」から「ICAO ごとに状態を蓄積する」形に変えたこと。位置は位置メッセージ、便名は識別メッセージ、針路は速度メッセージ（velocity の track）と、別々のメッセージから少しずつ届くので、機体ごとにレコードを育てて、一定時間聞こえなくなったら捨てる。配る JSON はこんな形にした。

{
  "aircraft": [
    {
      "icao": "861f00",
      "callsign": "JAL616",
      "lat": 34.39,
      "lon": 136.7,
      "alt": 41000,
      "heading": 182.8,
      "on_ground": false
    }
  ]
}

プラグインを書く ── 針路は矢印で

ttymap のユーザープラグインは ~/.config/ttymap/lua/plugin/<name>.lua に置いて、~/.config/ttymap/init.lua で require "plugin.<name>" すれば有効になる。中身は bundled の aircraft プラグインをほぼそのまま下敷きにして、取得先だけローカルサーバに差し替えた。

肝は on_tick（毎フレーム呼ばれる）の中で、一定間隔ごとに http:fetch を投げ、返ってきた JSON をパースして点を打つところ。表示は前編の aircraft と揃えて、針路を 8 方位の矢印（↑↗→↘↓↙←↖）にした。

local ARROWS = { "↑", "↗", "→", "↘", "↓", "↙", "←", "↖" }
local function heading_arrow(deg)
    local n = deg % 360
    return ARROWS[math.floor((n + 22.5) / 45) % 8 + 1]
end

-- on_tick の中で:
for i, a in ipairs(state.aircraft) do
    map:point(a.lon, a.lat, heading_arrow(a.heading), "accent")
end

サイドバーには便名と高度を並べ、選んで Enter を押すとその機体に地図が寄る（anim.fly_to）。このへんのカード UI も ttymap.api.card.open に乗せるだけで、前編で作った仕組みがそのまま効く。

自分の電波が地球儀に舞う

サーバを起動して、ttymap のコマンドパレットから Toggle local ADS-B を呼ぶと、自宅上空に矢印が現れる。針路の向きに矢印が傾き、便名を選べばその機にカメラが寄る。OpenSky という誰かのサーバを見ていたものが、自分が立てたアンテナで受信した電波に変わった。同じ braille の地球儀の上で。

三脚に載せた伸縮式ダイポールアンテナ。窓際で V 字に開いて 1090MHz を受信している

地味に面白かったのは受信距離だ。屋内の安物ダイポールを窓際で V 字に開いただけでも、高々度の巡航機なら 100km 前後先までは拾えた。さすがに画面いっぱいに散らばるほどではなく、近隣を飛ぶ機影が地図上にぽつぽつ並ぶ程度だが、それでも「自分のアンテナで届く範囲」が目で見えるのは面白い。

ハマりどころまとめ

挿したら DVB-T チューナーとして認識される。 カーネルの TV ドライバ（dvb_usb_rtl28xxu）を blacklist しないと SDR で開けない。Arch の rtl-sdr パッケージは modprobe.d でやってくれる。
生フレームは座標じゃない。 ADS-B の位置は CPR でエンコードされていて、even/odd ペアか受信機位置の参照が要る。pyModeS に投げるのが楽。
ttymap の取り込み口は HTTP JSON。 標準出力に吐くだけのデコーダは、間にローカル HTTP サーバを噛ませて形を合わせる。

この先

受信専用でここまで遊べた。次の発展候補としては、複数アンテナでコヒーレント受信して**電波の方位（DF）**を出し、地図に方位線を引いて 2 局の交点から発信源を割り出す ── みたいな方向（KrakenSDR 等）が面白そうだ。map:polyline は前編で traceroute のホップに使ったプリミティブがそのまま使える。

自分のツールに、自分で受信したデータを流せると、世界の解像度が一段上がる。

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